Основные принципы работы СИД

Светоизлучающие диоды {СИД}, используемые в волоконной оптике, являются более сложными приборами по сравнению с описанным выше, однако, принцип работы у них тот же. Сложности возникают из-за того, что необходимо создать источник с заданными характеристиками какой-либо волоконно-оптической сис­темы, характеристиками диода являются длина волны излучаемого света и про­странственная диаграмма излучения,

Описанный выше СИД — устройство с гомогенным переходом, то есть с пе­реходом, образованным единственным полупроводниковым материалом. СИД с гомогенным переходом излучает свет как с боковой границы перехода, так и со всей его плоской поверхности. Излучение при этом имеет широкую диаграмму и малую интенсивность, что не совсем пригодно для использования в оптичес­ких волокнах. В этом случае только малая часть излученного света может быть направлена в ядро волокна.

Использование гетерогенной структуры перехода позволяет решить данную проблему. Носителя заряда оказываются ограниченными активной областью кристалла,

Гетерогенный переход является переходом р-п типа, образованным матери­алами с аналогичной кристаллической структурой, но с отличающимся энер­гетическими уровнями и показателями преломления. Эти различия обеспечи­вают пространственную локализацию носителей заряда и более направленное излучение света. Разница показателей преломления используется, например, для локализации и управления гид световыми пучками подобно тому, как это происходит в оптическом волокне, В результате получается узконаправленное излучение. На рисунке 2. представлены СИД, излучающие как через повер­хность, так и через боковую грань. Диоды, излучающие через грань, имеют активную область и виде первоначальных спонтанных фотонов, то их длины волн также равны. Таким образом, спонтанные фотоны рождают подобные себе вынужденные фотоны: они имеют те же длины волн, фазы и направление распространения. Другими словами, падающий фотон приводит к излучению еще одного такого же фотона.

Используемые в СИД вещества определяют длину волны выходного излучения.

Обычно используется СИД на основе арсенида галлия с добавками алюминия {GaAlAs}, имеющего окно прозрачности в диапазоне от 820 до 850 нанометров. Длины волны, соответствующие данному окну, удобны и с точки зрения распро­странения по оптическому волокну. Одна из причин выбора этого диапазона, изначально используемого в волоконной оптике, в том, что приборы, работающие в этом диапазоне, более надежные и дешевые, легко производятся.

Рисунок 1. СИДилазеры.

Таким образом, технология, основанная на использовании 820-микронного излучения, является родоначальиой. В настоящее время все более значимой становится 1300-нм технология, Переход с 1300 на 1550 нм зависит, в частности, от развития технологии изготовления источников.

В свою очередь СИД в зависимости от ввода светового излучения классифи­цируется на:

1. Поверхностные СИД

2. Торцевые СИД

1.2. Основные принципы работы лазерного диода

Лазер — это устройство, усиливающее вынужденной излучение активной среды. Слово Laserявляется аббревиатурой от LightAmplificationbytheStimulatedEmission[усиление света за счет вынужденного излучения). Одно из основных, отличий ' лазеров от СИД именно в том, что лазер использует вынужденное излучение ере- ' ды, а не спонтанное. Для усиления излучения в лазере используется специальная оптическая система, называемая резонатором Фабри-Перо.

Она представляет собой полированные строго параллельные противоположные грани кристалла для получения отражающих поверхностей, похожих на зеркала,

При слабых управляющих токах лазер работает подобно СИД, а излучение света носит характер спонтанного. По мере усиления тока лазер достигает порога гене­рации, выше которого начинается вынужденное излучение и нормальная работа лазера. Таким образом, для начала работы лазера требуется достаточно высокая плотность тока (наличие большого числа электронов и небольшой рабочей области чипа). Спонтанно излученные фотоны захватываются резонатором Фабри-Перо, отражаясь от полированных боковых граней, и делают несколько проходов от од­ного зеркала к другому. Данные фотоны несут с собой энергию, соответствующую ширине щели п/п вещества, используемого в лазере. При взаимодействии этих _г фотонов с электронами, находящимися в возбужденном состоянии, происходит, немедленная рекомбинация последних, сопровождающая излучением света. На­помним, что длина волны фотона является мерой его энергии. Поскольку энергия

\Л SiO2 (подложка)

Рисунок 3. СИД с поверхностным излучением

Рисунок 4.Торцевые СИД

фотонов, вынужденного излучения равна энергии, соединение между элементами и обеспечивает существование различных элементов.

Достаточно сильный управляющий ток создает инверсную населенность электронных уровней. Инверсная населенность представляет собой состояние, в котором основная часть невозбужденных электронов переходит в возбуж­денное состояние. При этом в активной области вблизи перехода образует­ся большое число свободных электронов и дырок. При наличии инверсной населенности более вероятен процесс стимулированного излучения другого достижения определенного уровня инверсной населенности, определяемого пороговым значением тока.

Часть фотонов остается захваченной в резонаторе и продолжает движение между зеркалами, вызывая дальнейшее излучение, тем не менее некоторая часть излучения проходит через полированные грани, формируя интенсивный пучок света, Поскольку свет заводится в волокно только через фронтальную поверхность чипа, то его задняя поверхность покрываемся отражающим материалом для умень­шения потерь света. Свет, отражаемый от задней поверхности, может быть также использован для управления излучением через фронтальную поверхность. Такого рода управление применяется для регулирования силы управляющего тока, чтобы

поддерживать постоянный уровень мощности излучения на выходе. На рисунке 1,5 показана, структурная схема лазерного диода.

Итак, отличите лазерного излучения от излучения СИД следующие:

1. Высокая монохромность: излучение имеет узкую спектральную ширину. Идеальная монохромность означает наличие только одной длины волны в выходном излучении. В отличие отСИД лазерное излучение не имеет непрерывного спектра, а представляет собой дискретный набор длин волн вокруг центральной длины волны.

2. Когерентность: излучение синхронизировано, фазы излучаемых фотонов совпадают.

3. Узкая направленность: свет излучается в узкий диапазон углов и пучок света имеет малую поперечную дисперсию. Поперечной дисперсией на­зывается увеличение диаметра пучка света по мере распространения от источников.

Рисунок 5. Структурная схема лазерного диода на основе резонаторов Фабри-Перо.

1.3. Характеристики источников (Спектральная ширина, Скорость) Спектральная ширина. Как лазеры, так и диоды не являются идеально моно­хромными, они излучают в некотором конечном диапазоне длин волн. Этот диапа­зон известен как спектральная ширина источника. Он определяется 50% уровнем мощности относительно максимума, соответствующей центральной длине волны. Например, если источник имеет центральную длину волны 820 нм и спектральную ширину 30 нм, то его выходное излучение диапазон от 805 до 835 нм.

На рисунке 6 видно, что спектральная ширина лазера существенно уже по сравнению со спектральной шириной СИД, Спектральная ширина лазера составляет от 2 до 5 нм, в то время как аналогичная характеристика СИД состав­лять десятки нанометров. Как правило, спектральная ширина не сказывается на качестве линии длиной в несколько километров, работающей на частотах до 100 МГц. Спектральная ширина является критическим параметром для вы­сокоскоростных протяженных одномодовых оптических систем. В этом случае спектральная ширина ограничивает скорость передачи информации.

Напомним, что ширина полосы пропускания одномодового волокна определя­ется величиной; дисперсии и измеряется в пикосекундах на километр и нанометр спектральной ширины источника.

Рисунок 6. Типична спектральная характеристика.

Поскольку спектральная ширина лазерного источника является лимитирующей характеристикой для высокоскоростных протяженных одномодовых оптических линий, то в последнее время много усилий было направлено на создание монохром­ных лазерных диодов, при годных для таких систем. Такого рода устройства имеют усовершенствованную структуру, усиливающую излучение на центральной длине волны и подавляющую излучение на боковых длинах волн. Можно привести два примера подобных устройств; лазеры с распределенной положительной обратной связью и лазеры с пространственно-синхронизированной генерацией. В лазере с распределенной положительной обратной связью используется встроенная дифракционная решетка, позволяющая усиливать фотоны на резонансной длине волны. Таким образом, вынужденное излучение становиться монохромным.

Скорость. Скорость и выключения источника должна быть достаточно высо­кой, чтобы соответствовать требованиям ширины рабочей полосы пропускания оптической системы. Скорость источника определяется временем нарастания и спада сигнала. Лазеры имеют время нарастания менее 1 нм.